O Grande Colisor de Hádrons detectou 59 novos hádrons

Nos últimos 10 anos, o LHC encontrou mais de 50 novas partículas chamadas hádrons.

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O professor Murray Gell-Mann nas instalações do ATLAS em 2012. Gell-Mann propôs o modelo de quark e o nome “quark” em 1964 e recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1969. Crédito: CERN.

Por Piotr Traczyk
Publicado no CERN

Quantas novas partículas o Grande Colisor de Hádrons (LHC) descobriu? A descoberta mais conhecida é, obviamente, a do bóson de Higgs. Menos conhecido é o fato de que, nos últimos 10 anos, os experimentos do LHC também encontraram mais de 50 novas partículas chamadas hádrons. Coincidentemente, o número 50 aparece no contexto dos hádrons duas vezes, já que 2021 marca o 50º aniversário dos colisores de hádrons: em 27 de janeiro de 1971, dois feixes de prótons colidiram pela primeira vez no acelerador de anéis de armazenamento de interseção do CERN, tornando-o o primeiro acelerador da história a produzir colisões entre dois feixes contrarrotativos de hádrons.

Então, quais são esses novos hádrons, que são 59 no total? Vamos começar do início: os hádrons não são partículas elementares – os físicos sabem disso desde 1964, quando Murray Gell-Mann e George Zweig propuseram independentemente o que hoje é conhecido como modelo de quark. Esse modelo estabeleceu os hádrons como partículas compostas feitas de novos tipos de partículas elementares chamadas quarks. Mas, da mesma forma que os pesquisadores ainda estão descobrindo novos isótopos mais de 150 anos depois que Dmitri Mendeleev estabeleceu a tabela periódica, os estudos de possíveis estados compostos formados por quarks ainda são um campo ativo na física de partículas.

A razão para isso está na cromodinâmica quântica, ou CDQ, a teoria que descreve a forte interação que mantém os quarks juntos dentro dos hádrons. Essa interação tem várias características curiosas, incluindo o fato de que a força da interação não diminui com a distância, levando a uma propriedade chamada confinamento de cores, que proíbe a existência de quarks livres fora dos hádrons. Essas características tornam essa teoria matematicamente muito desafiadora; na verdade, o próprio confinamento de cores não foi comprovado analiticamente até hoje. E ainda não temos como prever exatamente quais combinações de quarks podem formar hádrons.

O que sabemos sobre os hádrons então? Na década de 1960, já havia mais de 100 variedades conhecidas de hádrons, que foram descobertas em experimentos com aceleradores e raios cósmicos. O modelo de quark permitiu aos físicos descrever todo o “zoológico” como diferentes estados compostos de apenas três quarks diferentes: up, down e strange. Todos os hádrons conhecidos podem ser descritos como consistindo em três quarks (formando bárions) ou como pares quark-antiquark (formando mésons). Mas a teoria também previu outros arranjos de quark possíveis. Já no estudo original de Gell-Mann de 1964 sobre quarks, a noção de partículas contendo mais de três quarks apareceu como uma possibilidade. Hoje sabemos que tais partículas existem, mas levou várias décadas para confirmar em experimentos os primeiros hádrons de quatro quarks e cinco quarks, ou tetraquarks e pentaquarks.

Uma lista completa dos 59 novos hádrons encontrados no LHC é mostrada na imagem abaixo. Dessas partículas, algumas são pentaquarks, algumas são tetraquarks e algumas são novos estados de alta energia (excitados) de bárions e mésons. A descoberta dessas novas partículas, juntamente com medições de suas propriedades, continua a fornecer informações importantes para testar os limites do modelo de quark. Isso, por sua vez, permite aos pesquisadores aprofundar sua compreensão da interação forte, verificar as previsões teóricas e ajustar os modelos. Isso é especialmente importante para a pesquisa feita no Grande Colisor de Hádrons, uma vez que a interação forte é responsável pela grande maioria das coisas que acontecem quando os hádrons colidem. Quanto melhor podemos entender a interação forte, mais precisamente podemos modelar essas colisões e melhores são nossas chances de ver pequenos desvios das expectativas que podem sugerir possíveis novos fenômenos da física.

As descobertas de hádrons dos experimentos do LHC continuam surgindo, principalmente do LHCb, que é particularmente adequado para estudar partículas contendo quarks pesados. O primeiro hádron descoberto no LHC, χb(3P), foi encontrado pelo ATLAS, e os mais recentes incluem um novo bárion strange bottomness excitado observado pelo CMS e quatro tetraquarks detectados pelo LHCb.

A lista completa dos novos hádrons encontrados no LHC, organizada por ano de descoberta (eixo horizontal) e massa de partícula (eixo vertical). As cores e formas denotam o conteúdo de quark desses estados. Tradução da imagem: 59 novos hádrons do LHC (59 new hadrons at the LHC), massa (mass) e data (date). Créditos: LHCb / CERN.